$x$ の関数 $f(x) = 2x^2 + 3mx - 2m$ について、 $0 \le x \le 1$ における最小値を $g$ とする。 (1) $g$ を $m$ を用いて表せ。 (2) $m$ の値がすべての実数を変化するとき、$g$ の最大値を求めよ。

代数学二次関数最大値最小値場合分け平方完成
2025/8/15

1. 問題の内容

xx の関数 f(x)=2x2+3mx2mf(x) = 2x^2 + 3mx - 2m について、 0x10 \le x \le 1 における最小値を gg とする。
(1) ggmm を用いて表せ。
(2) mm の値がすべての実数を変化するとき、gg の最大値を求めよ。

2. 解き方の手順

(1) f(x)=2x2+3mx2mf(x) = 2x^2 + 3mx - 2m を平方完成する。
f(x)=2(x2+32mx)2m=2(x+34m)22(34m)22m=2(x+34m)298m22mf(x) = 2(x^2 + \frac{3}{2}mx) - 2m = 2(x + \frac{3}{4}m)^2 - 2(\frac{3}{4}m)^2 - 2m = 2(x + \frac{3}{4}m)^2 - \frac{9}{8}m^2 - 2m
軸は x=34mx = -\frac{3}{4}m である。
0x10 \le x \le 1 における最小値を考える。
(i) 34m<0-\frac{3}{4}m < 0, つまり m>0m > 0 のとき
x=0x=0 で最小値をとる。
g=f(0)=2mg = f(0) = -2m
(ii) 034m10 \le -\frac{3}{4}m \le 1, つまり 43m0-\frac{4}{3} \le m \le 0 のとき
x=34mx = -\frac{3}{4}m で最小値をとる。
g=98m22mg = -\frac{9}{8}m^2 - 2m
(iii) 34m>1-\frac{3}{4}m > 1, つまり m<43m < -\frac{4}{3} のとき
x=1x=1 で最小値をとる。
g=f(1)=2+3m2m=m+2g = f(1) = 2 + 3m - 2m = m + 2
よって、
$g = \begin{cases}
-2m & (m > 0) \\
-\frac{9}{8}m^2 - 2m & (-\frac{4}{3} \le m \le 0) \\
m + 2 & (m < -\frac{4}{3})
\end{cases}$
(2) gg の最大値を求める。
(i) m>0m > 0 のとき、 g=2m<0g = -2m < 0
(ii) 43m0-\frac{4}{3} \le m \le 0 のとき、 g=98m22mg = -\frac{9}{8}m^2 - 2m
g=98(m2+169m)=98(m+89)2+98(89)2=98(m+89)2+89g = -\frac{9}{8}(m^2 + \frac{16}{9}m) = -\frac{9}{8}(m + \frac{8}{9})^2 + \frac{9}{8}(\frac{8}{9})^2 = -\frac{9}{8}(m + \frac{8}{9})^2 + \frac{8}{9}
43m0-\frac{4}{3} \le m \le 0 より、 43=129m0-\frac{4}{3} = -\frac{12}{9} \le m \le 0 なので、m=89m = -\frac{8}{9} はこの範囲に含まれる。
m=89m = -\frac{8}{9} のとき、 g=89g = \frac{8}{9}
(iii) m<43m < -\frac{4}{3} のとき、 g=m+2<43+2=23g = m + 2 < -\frac{4}{3} + 2 = \frac{2}{3}
したがって、gg の最大値は 89\frac{8}{9} である。

3. 最終的な答え

(1) $g = \begin{cases}
-2m & (m > 0) \\
-\frac{9}{8}m^2 - 2m & (-\frac{4}{3} \le m \le 0) \\
m + 2 & (m < -\frac{4}{3})
\end{cases}$
(2) gg の最大値は 89\frac{8}{9}

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